“一只蝴蝶在巴西轻拍翅膀，可以导致一个月后德克萨斯州的一场龙卷风。”物理学一般研究的都是理想的情况，而复杂系统研究则要在考虑现实中的复杂因素的情况下，预测体系正确的发展。

　　10月5日，3名科学家因对混沌和明显随机现象的研究分享了2021年诺贝尔物理学奖。其中，奖项一半被授予美籍日裔科学家真锅淑郎和德国科学家克劳斯·哈塞尔曼，以表彰他们“对地球气候进行物理建模、量化可变性和可靠地预测全球变暖”的贡献；另一半则由意大利科学家乔治·帕里西获得，表彰他“发现了从原子到行星尺度的物理系统中无序和涨落之间的相互影响”。

　　地球的气候建模是最艰巨、复杂的任务之一。真锅淑郎和他的合作者利用他们建立的气候模型估算出，如果大气二氧化碳浓度增加一倍，地球表面平均温度将会增加约2.4℃——这与目前超级计算机模拟预测的结果高度一致。

　　在浙江大学地球科学学院教授曹龙看来，真锅淑郎的一大贡献，是和其合作者开发了包括辐射和对流过程的气候模式，并且量化了二氧化碳浓度变化对不同高度大气的温度变化影响，并且在三维气候模式的建立中作出了开拓性的贡献，奠定了现代气候预测的基础。

　　上世纪70年代，克劳斯·哈塞尔曼创建了一个将天气过程和气候过程联系在一起的模型，从而回答了为什么气候模型在天气多变且混乱的情况下仍然可靠的问题。在这个模型中，长时间尺度的“气候”变化被解释为对短时间尺度内的“天气”变化的累积，从而在混沌随机的天气现象和长期气候变化趋势之间架起了桥梁。

　　诺贝尔物理学委员会用“遛狗”的比喻来说明怎样从嘈杂的天气数据中获取气候模型：“狗跑了出去，前后跑、左右两边跑，绕着你的腿跑。你如何利用狗的踪迹判断你是在走路还是站着不动，或者你走得快还是慢？”在这里，狗的踪迹是天气的变化，而人的行走是计算出的气候。

　　“数值天气预报和气候预测，都是基于同样的物理原理，但是关心的时间尺度不同。在天气模式中，我们主要是预测十天之内的天气情况，而全球变暖是一个气候时间尺度问题，就要延伸到几十年甚至上百年了。建立和完善无缝链接的天气和气候模式是科学家正在努力的目标。”曹龙说。

　　自然因素和人类活动都在气候中留下印记，例如，太阳辐射、火山颗粒或温室气体水平的变化会留下独特信号，即“指纹”，这些信号可以分离出来。克劳斯·哈塞尔曼还开发了指纹识别式的方法，评估人类活动对气候系统的影响。利用他的方法，科学家证明了大气温度升高主要是人类排放的二氧化碳所致。

　　天空飘过的一朵朵云、冬天下的一片片雪花、一滴滴墨水滴在纸面……这些看似不相关的事情有什么共性？我们习以为常的形状，可以变幻出无数不规则的几何结构，其表现取决于多种因素，我们无法预测。

　　在凝聚态物理领域，乔治·帕里西借助“自旋玻璃”的研究，寻求控制无序的复杂系统的方法。

　　根据日常经验，当温度很高时，玻璃是流动的液态，随着温度降低，玻璃变成黏稠的液体，直至成为我们眼中的“固体”玻璃。事实上，玻璃从来不会结晶成为我们所认为的“固态”，它的分子在很小的范围内和很短的时间内能像晶体一样作规则排列，但在较大范围内则是无序的，属于非晶态的一员。

　　与其相似，在乔治·帕里西的研究中，如果将铁原子散乱地放在金块的表面上，对于自由的单个铁原子来讲，它就像一个陀螺一样在金的基底上旋转，这就是自旋。如果逐渐降低金块的温度，铁原子会试图在平衡位置稳定下来。

　　值得注意的是，每个铁原子的平衡位置各不相同，取决于它拥有的能量，即它的温度。如果不断降低温度，它又会不断改变方向，由一个平衡位置调整为另一个平衡位置，与玻璃相似，没有一种最终的平衡状态。

　　“自旋玻璃”是自然界中许多复杂系统的代表，它的研究使理解和描述许多不同的、显然完全随机的材料和现象成为可能。

　　有机的生命体同样是一个复杂系统，一个细微的变化就有可能产生难以预测的结果。乔治·帕里西希望与生物学家携手建立人体复杂系统的模型，研究细胞的集体表现、细胞种类或者单个细胞，解释特殊细胞为什么是有生命的。